Desalinizacion-mediante-electro-adsorcion-en-membranas-y-electrodos-de-composito-de-nanotubos-de-carbono

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
 
PROGRAMA DE MAESTRÍA Y DOCTORADO EN INGENIERÍA 
 
 CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 
 
 
 DESALINIZACIÓN MEDIANTE ELECTRO-ADSORCIÓN 
 EN MEMBRANAS Y ELECTRODOS DE COMPOSITO 
 DE NANOTUBOS DE CARBONO 
 
 
 T E S I S 
 QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: 
 DOCTOR EN INGENIERÍA 
 ENERGÍA Y MEDIO AMBIENTE 
 
 
 P R E S E N T A: 
 M. C. ALFREDO SILVERIO ORDEÑANA MARTÍNEZ 
 
 
 TUTORA: 
 DRA. MARINA ELIZABETH RINCÓN GONZÁLEZ 
 
 
 
 2012 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
Restricciones de uso 
 
DERECHOS RESERVADOS © 
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mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, 
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 
JURADO ASIGNADO: 
 
Presidente: Dr. Estrada Gasca Claudio Alejandro 
Secretario: Dra. Rincón González Marina Elizabeth 
Vocal: Dra. Menchaca Campos Carmina 
1er. Suplente: Dra. Cuentas Gallegos Ana Karina 
2do. Suplente: Dra. Vargas Vega Minerva Guadalupe 
 
 
 
Lugar donde se realizó la Tesis: 
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA – UNAM 
TEMIXCO, MORELOS 
 
 
 
TUTORA DE TESIS: 
Dra. Marina Elizabeth Rincón González 
 
FIRMA 
 
 
 
i 
 
DEDICATORIA 
 
 
 
A mi esposa Iris Santos González por su gran amor y apoyo 
incondicional. Te AMO. 
 
A mis padres Silverio Ordeñana Téllez y Margarita Martínez 
Flores por su gran ejemplo de vida, amor y apoyo 
incondicional. 
A mis hermanas Virginia, Teresa y hermano Jesús por todo 
su apoyo en cada etapa de mi vida. 
A mi cuñado José Vargas por sus muestras de apoyo. 
 
Gracias de todo corazón. 
 
 
 
 
 
ii 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
Agradecimiento especial a la Dra. Marina Elizabeth Rincón González por las asesorías y el 
apoyo brindado. 
Al comité tutoral por el tiempo invertido e invaluable apoyo en la revisión de la tesis. Así 
como por sus comentarios y sugerencias que permitieron enriquecer este trabajo. 
 Dr. Estrada Gasca Claudio Alejandro 
 Dra. Rincón González Marina Elizabeth 
 Dra. Menchaca Campos Carmina 
 Dra. Cuentas Gallegos Ana Karina 
 Dra. Vargas Vega Minerva Guadalupe 
 
A los Técnicos Académicos por su valiosa ayuda. 
 Mtra. María Luisa Ramón García 
 Ing. Rogelio Morán Elvira 
 
A mis amigos y compañeros de posgrado por compartir experiencias y lecciones de vida. 
 
Al CONACYT por la beca otorgada. 
 
Al CIE por realizar mi trabajo de investigación. 
 
 GRACIAS 
 
 
 
 
 
 
iii 
 
ÍNDICE 
 
ÍNDICE --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- iii 
LISTA DE FIGURAS --------------------------------------------------------------------------------------------------- vi 
LISTA DE TABLAS ---------------------------------------------------------------------------------------------------- xi 
NOMENCLATURA ----------------------------------------------------------------------------------------------------xiii 
RESÚMEN ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 
ABSTRACT ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 
CAPÍTULO 1. Introducción ------------------------------------------------------------------------------------------ 4 
1.1 Motivación ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 
1.2 Antecedentes --------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 
1.3 Objetivos -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 
1.3.1 Objetivo general --------------------------------------------------------------------------------------------- 8 
1.3.2 Objetivos específicos --------------------------------------------------------------------------------------- 8 
1.4 Estructura de la tesis ------------------------------------------------------------------------------------------ 9 
CAPÍTULO 2. Desalinización -------------------------------------------------------------------------------------- 11 
2.1 Tecnologías de desalización-------------------------------------------------------------------------------- 11 
2.1.1 Pretratamiento y postratamiento ----------------------------------------------------------------------- 15 
2.1.2 Evaporación flash multietapa --------------------------------------------------------------------------- 15 
2.1.3 Compresión de vapor ------------------------------------------------------------------------------------- 16 
2.1.4 Ósmosis inversa -------------------------------------------------------------------------------------------- 16 
2.1.5 Electrodiálisis ----------------------------------------------------------------------------------------------- 17 
2.2 Desionización capacitiva ----------------------------------------------------------------------------------- 17 
2.3 Materiales de carbono --------------------------------------------------------------------------------------- 20 
2.3.1 Geles, Xerogeles, Aerogels y Criogeles de Carbono ---------------------------------------------- 21 
2.3.2 Nanotubos de Carbono (CNT) -------------------------------------------------------------------------- 27 
2.4 Estado del arte de los materiales de electrodo en CDI ------------------------------------------------ 30 
2.4.1 Aerogeles y xerogeles de carbono en electroadsorción ------------------------------------------- 30 
2.4.2 Nanotubos de carbono en electroadsorción --------------------------------------------------------- 32 
2.4.3 Compositos de MWCNT en electroadsorción ------------------------------------------------------ 33 
 
 
 
iv 
 
CAPÍTULO 3. Modelos Teóricos --------------------------------------------------------------------------------- 38 
3.1 Capacitancia de la doble capa eléctrica (Cd) ------------------------------------------------------------ 38 
3.2 Estructura de la doble capa eléctrica --------------------------------------------------------------------- 40 
3.3 Dispositivos de almacenamiento de carga eléctrica --------------------------------------------------- 45 
3.3.1 Parámetros de diseño ------------------------------------------------------------------------------------- 45 
3.3.2 Corriente de carga y capacitancia en la doble capa. ----------------------------------------------- 46 
3.3.2.1 Comportamiento de la corriente i, en función del tiempo t en un capacitor 
electroquímico -------------------------------------------------------------------------------------------------- 46 
3.3.3 Constante de tiempo -------------------------------------------------------------------------------------- 47 
3.3.4 Características del electrodo/electrolito -------------------------------------------------------------- 48 
CAPÍTULO 4. Metodología Experimental -------------------------------------------------------------------- 50 
4.1 Síntesis de materiales ---------------------------------------------------------------------------------------- 50 
4.1.1 Xerogel de carbono --------------------------------------------------------------------------------------- 50 
4.1.2 Nanotubosde carbono (CNT) ------------------------------------------------------------------------- 52 
4.1.3 Tintas de nanotubos de carbono ------------------------------------------------------------------------ 52 
4.1.4 Titania (TiO2) ----------------------------------------------------------------------------------------------- 52 
4.2 Fabricación de electrodos por el método de impregnación ------------------------------------------ 53 
4.2.1 Impregnación de películas porosas de TiO2 con CS y MWCNT ------------------------------- 53 
4.2.2 Impregnación de Xerogeles de Carbono-Nafion con MWCNT -------------------------------- 55 
4.3 Fabricación de electrodos por el método de mezclado ------------------------------------------------ 56 
4.3.1 CX/Resina epóxica ---------------------------------------------------------------------------------------- 56 
4.3.2 CX/Teflón --------------------------------------------------------------------------------------------------- 57 
4.3.3 CX-Nafion-CNT ------------------------------------------------------------------------------------------- 57 
4.3.3.1 Incorporación de MWCNT ------------------------------------------------------------------------ 58 
4.4 Técnicas de Caracterización de los Materiales --------------------------------------------------------- 59 
4.5 Técnicas de caracterización de los electrodos ---------------------------------------------------------- 60 
4.5.1 Espectroscopía de Impedancia Electroquímica ----------------------------------------------------- 60 
4.5.2 Voltamperometría Cíclica y Cronopotenciometría ------------------------------------------------ 60 
4.5.3 Determinación de la Capacitancia por Métodos Electroquímicos ----------------------------- 61 
CAPÍTULO 5. Electrodos Composito obtenidos por Impregnación----------------------------------- 63 
5.1 Compositos de CNT/TiO2 --------------------------------------------------------------------------------- 63 
5.1.1 Caracterización estructural ------------------------------------------------------------------------------ 64 
 
 
v 
 
5.1.2 Caracterización por Impedancia Electroquímica --------------------------------------------------- 69 
5.1.2.1 Efecto de la gravedad modificada ---------------------------------------------------------------- 72 
5.1.2.2 Efecto de la capa de TiO2 ------------------------------------------------------------------------- 73 
5.2 MWCNT/ Xerogel de carbono -------------------------------------------------------------------------- 75 
5.2.1 Detalles experimentales y caracterización ----------------------------------------------------------- 76 
5.2.2 Resultados y discusión ----------------------------------------------------------------------------------- 76 
5.3 Comparación de matrices de TiO2 y Xerogel-Nafion ------------------------------------------------- 85 
CAPÍTULO 6. Electrodos Composito obtenidos por Mezclado ----------------------------------------- 86 
6.1 Xerogel de Carbono/Aglomerante ------------------------------------------------------------------------ 86 
6.1.1 Caracterización estructural y química de nanocarbones ------------------------------------------ 86 
6.1.2 Análisis termogravimétrico de nanocarbones ------------------------------------------------------- 89 
6.1.3 Análisis superficial de nanocarbones y compositos ----------------------------------------------- 91 
6.2 Elección del aglomerante para la fabricación de electrodos ----------------------------------------- 97 
6.3 MWCNT/Xerogel de Carbono-Nafion ----------------------------------------------------------------- 100 
6.3.1 Voltamperometría y Cronopotenciometría de compositos ------------------------------------- 100 
6.3.2 Ciclos de carga y descarga a diferentes velocidades de barrido ------------------------------ 104 
6.3.3 Ciclos de Carga y Descarga a diferentes Corrientes Específicas ----------------------------- 111 
6.3.4 Estudios de Impedancia Electroquímica ----------------------------------------------------------- 118 
6.3.5 Análisis morfológico ------------------------------------------------------------------------------------ 121 
CAPITULO 7. Celda CDI ----------------------------------------------------------------------------------------- 123 
7.1 Diseño del dispositivo ------------------------------------------------------------------------------------- 123 
7.1.1 Cálculos idealizados ------------------------------------------------------------------------------------ 123 
7.1.2 Cálculos de capacitancia para electrodos de MWCNT/Xerogel-Nafion ------------------- 126 
7.2 Prototipos de prueba --------------------------------------------------------------------------------------- 127 
CAPÍTULO 8. Conclusiones ------------------------------------------------------------------------------------- 134 
ANEXO A. Análisis superficial y tamaño de poro ------------------------------------------------------------ 136 
ANEXO B. Espectroscopía de Impedancia Electroquímica ------------------------------------------------ 145 
ANEXO C. Producción científica --------------------------------------------------------------------------------- 149 
REFERENCIAS ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 151 
 
 
vi 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 2.1 Celda electroquímica. 
 
17 
Figura 2.2 Doble capa eléctrica. 
 
18 
Figura 2.3 Principio de operación de la desionización capacitiva. 
 
18 
Figura 2.4 Proceso de síntesis del xerogel de carbono. 
 
23 
Figura 2.5 Imágenes de SWNT obtenidos por microscopía electrónica de trasmisión: a) SWNT, 
b) muestra tratada con acido nítrico, c) muestra oxidada con aire y d) muestra alineada. 
 
27 
Figura 2.6 Imágenes de MWCNT obtenidos por microscopia electrónica de trasmisión por 
Iijima. 
 
28 
Figura 2.7 Esquema de los diferentes SWNTs con diferente enrollamiento: a) configuración de 
sillón, b) configuración zig-zag y c) configuración quiral. 
 
28 
Figura 2.8 (a) Adsorción de NaCl sobre carbón activo y carbón activo/titania Ti (1.05); (b) 
Adsorción física y con campo eléctrico de los compositos, el número entre paréntesis 
indica la cantidad de metal modificado en mmol/g de carbón activo. 
 
35 
Figura 3.1 Dispositivo CDI. 
 
39 
Figura 3.2 a) Modelo de Stern, b) perfil de potencial, donde E es el potencial de la superficie 
del electrodo y S es el potencial del bulto de la solución. 
 
43 
Figura 3.3 Capacitancia de la doble capa difusa del modelo de Stern. 
 
43 
Figura 3.4 (a) Modelo de Grahame indicando la adsorción especifica de iones dentro del plano 
interno de Helmholtz (PIH) y los iones solvatados en el plano externo de Helmholtz 
(PEH), (b) perfil de potencial, donde E es el potencial de la superficie del electrodo, 
1 es el potencial en el PIH, 2 es el potencial en el PEH y S es el potencial del bulto 
de la solución. 
 
44 
Figura 3.5 Circuito eléctrico de un capacitor electroquímico de doble capa. 
 
46 
Figura 3.6 Carga de dos capacitores en función del tiempo, donde el capacitor C1 tiene una 
constante de tiempo () menor a la del capacitor C2. 
 
48 
Figura 4.1 Diagrama de flujo de la elaboración del xerogel de carbono 
 
51 
Figura 4.2 (a) Centrifuga empleada para el secado de las muestras bajo condiciones de 
supergravedad (b) Canastilla articulada para mantener las muestras. Aceleración de la 
gravedad (g); Aceleración centrifuga (ac = ω2R) donde ω es la velocidad angular y R 
es la distancia desde la muestra al eje de rotación; Aceleración total (a). 
 
54 
Figura 4.3 (a) Fórmula química de la resina epóxica, (b) elaboración de electrodos empleando 
resina como adhesivo. 
 
56 
Figura 4.4 (a) Fórmula química del teflón, (b) elaboración de electrodos empleando teflón. 
 
57 
 
 
vii 
 
Figura 4.5 (a) Fórmula química del Nafion, (b) elaboración de electrodos empleando Nafion. 
 
58 
Figura 4.6 Tintas CX-Nafion y CX-MWCNT-Nafion.58 
Figura 4.7 Celda tipo sandwich empleada para le medición de la respuesta de impedancia. 
 
60 
Figura 4.8 Representación esquemática de una celda electroquímica de tres electrodos. Donde 
CE contraelectrodo, WE electrodo de trabajo y RE electrodo de referencia. 
 
61 
Figura 5.1 Patrones de XRD de nanocarbones funcionalizados: (a) CS; (b) CS lavado con 
tolueno; (c) MWCNT 
 
64 
Figura 5.2 Imágenes de SEM de los componentes empleados en los compositos: (a) MWCNT, (b) 
CS y (c) TiO2. 
 
65 
Figura 5.3 Imágenes SEM de (a) ITO/TiO2/MWCNT, (b) ITO/TiO2/CS y (c) ITO/TiO2 
modificado con PEG. Insertos: ITO/TiO2/nanotubo de carbono después de la 
centrifugación y después de remover cuidadosamente las capas superficiales con agua. 
 
66 
Figura 5.4 Valores de la resistencia de cuadro de las películas de: (a) MWCNT, (b) CS sin C60 y 
(c) CS con C60. El diagrama de la derecha describe los puntos de medición relativos al 
menisco de la película de TiO2. 
 
67 
Figura 5.5 Imágenes AFM de los componentes empleados en los electrodos composito (a) 
MWCNT, (b) CS y (c) TiO2 del baño de sol-gel modificado con PEG-400. 
 
68 
Figura 5.6 Imágenes AFM de (a) CS/TiO2, (b) MWCNT/TiO2. 
 
68 
Figura 5.7 Diagrama de Nyquist de los electrodos (a) CS y (b) CS/TiO2 secados a gravedad 
terrestre g () y a 13 g (). Datos experimentales (símbolos llenos), datos simulados 
(símbolos vacíos). En K2SO4 1M. 
 
70 
Figura 5.8 Fig. 5.8. Diagrama de Nyquist de los electrodos (a) MWCNT y (b) MWCNT/TiO2 
secados a gravedad terrestre g () y a 13 g (). Datos experimentales (símbolos 
llenos), datos simulados (símbolos vacíos). En K2SO4 1M. 
 
71 
Figura 5.9 Circuito equivalente empleado para simular la respuesta de impedancia de las celdas 
ensambladas con electrodos basados en CS (Fig. 5.7) y MWCNT (Fig. 5.8). 
 
72 
Figura 5.10 Voltamperogramas de los primeros 25 ciclos en KBr 1M a 20 mV/s: (a) 1G-C, (b) 
13G-C, (c) CXN. La comparación de los 3 electrodos en el ciclo 25 se presenta en (d). 
 
77 
Figura 5.11 Ciclos galvanostáticos de carga/descarga en KBr 1M: (a) 1G-C, (b) 13G-C, (c) CXN. 
 
78 
Figura 5.12 Curvas de acercamiento de electrodos CNT/CXN impregnados con MWCNT: (a) 1G-
C, (b) 13G-C, (c) CXN. Datos obtenidos a potencial de circuito abierto en KBr 1M. 
 
79 
Figura 5.13 Imágenes A-SECM de los electrodos tomados a potencial de circuito abierto en KBr 
1M empleando un electrodo de25 m: (a) 1G-C, (b) 13G-C y (c) CXN. 
 
80 
Figura 5.14 Imágenes A-SECM en 2D de (a) 1G-C y (b) 13G-C, bajo polarización negativa en 
KBr 1M. 
 
81 
Figura 5.15 Imágenes SEM de los electrodos sujetos a intensas pruebas voltamperometricas y 
galvanostáticas: (a) 1G-C, (b) 13G-C y (c) CXN en KBr 1M. 
 
83 
 
 
viii 
 
Figura 5.16 Mecanismo propuesto que correlaciona el método de preparación-distribución 
dependiente de los MWCNT con la adsorción de iones (capacitancia) y la 
conductividad del electrodo bajo polarización negativa: (a) 1G-C y (b) 13G-C. 
 
84 
Figura 6.1 Espectros de XRD de los nanocarbones: (a) MWCNT, (b) xerogel de carbono. 
 
87 
Figura 6.2 Espectros IR de los nanomateriales (a) KBr, (b) Xerogel de carbono y (c) MWCNT. 
 
88 
Figura 6.3 Análisis termogravimétrico del xerogel de carbono sin activación térmica (▪) y del 
xerogel de carbono activado térmicamente (□). 
 
89 
Figura 6.4 Termogravimetría del MWCNT sin funcionalizar (▪) y del MWCNTfuncionalizado 
(□). 
 
90 
Figura 6.5 Análisis superficial del xerogel de carbono activado térmicamente: (a) isoterma de 
adsorción/desorción; (b) tamaño de poro (BJH y DFT); (c) determinación del volumen 
de microporo por t de Boer. 
 
92 
Figura 6.6 Análisis superficial del MWCNT funcionalizado: (a) Isoterma de 
adsorción/desorción; (b) tamaño de poro (BJH y DFT); (c) determinación del volumen 
de microporo por t de Boer. 
 
93 
Figura 6.7 Análisis superficial del composito MWCNT:Xerogel (10:90): (a) isoterma de 
adsorción/desorción; (b) tamaño de poro (BJH y DFT); (c) determinación del volumen 
de microporo por t de Boer. 
 
94 
Figura 6.8 Isotermas de adsorción-desorción (a) Xerogel de carbono activado térmicamente, (b) 
MWCNT funcionalizados y (c) MWCNT:Xerogel (10:90). 
 
95 
Figura 6.9 Comparación de las respuestas voltamperométricas (20 mV/s) correspondientes a 25 
ciclos sucesivos, obtenidas en los electrodos: (a) CXR, (b) CXT, (c) CXN, en HClO4 
1M. Último ciclo de los nanomateriales (d). Voltamperogramas normalizados por 
masa del xerogel de carbono. 
 
98 
Figura 6.10 Comparación de las respuestas voltamperométricas (20 mV/s) correspondientes a 25 
ciclos sucesivos: (a)CXR, (b) CXT y (c) CXN, en NaCl 2M. Último ciclo de los 
nanomateriales (d). Voltamperogramas normalizados por masa del xerogel de carbono. 
 
99 
Figura 6.11 Respuesta voltamperométrica (20 mV/s) correspondiente a 25 ciclos sucesivos del 
electrodo CXMWN, en el medio HClO4 1M (a) y NaCl 2M (b). Voltamperogramas 
normalizados por masa del xerogel de carbono. 
 
100 
Figura 6.12 Comparación de las respuestas voltamperométricas correspondientes al último ciclo en 
los electrodos CXT, CXN y CXMWN en el medio HClO4 1M (a) y NaCl 2M (b). 
Voltamperogramas normalizados por masa del xerogel de carbono. 
 
101 
Figura 6.13 Respuesta potencial vs tiempo del electrodo: (a)CXN y (b) CXMWN en el medio 
HClO4 1M corresponden a 50 ciclos de pulso doble de corriente. 
 
103 
Figura 6.14 Respuesta potencial vs tiempo del electrodo: (a)CXN y (b) CXMWN en el medio 
NaCl 2M corresponden a 50 ciclos de pulso doble de corriente. 
 
 
 
 
103 
 
 
ix 
 
Figura 6.15 Comparación de las respuestas voltamperométricas correspondientes a diferentes 
velocidades de barrido, obtenidos en los electrodos: (a) CXT, (b) CXN y (c) CXMWN 
en el medio NaCl 2M. Voltamperogramas normalizados por masa del xerogel de 
carbono. 
 
105 
Figura 6.16 Comparación de las respuestas voltamperométricas correspondientes a diferentes 
velocidades de barrido, obtenidos en los electrodos: (a) CXT, (b) CXN y (c) 
CXMWN en el medio NaCl 2M. Voltamperogramas normalizados por masa del 
xerogel de carbono. 
 
106 
Figura 6.17 Variación de la capacitancia específica (a) y de la corriente específica (b) obtenida a 
diferentes velocidades de barrido de los electrodos: CXT, CXN y CXMWN en el 
medio NaCl 2M. Capacitancia normalizada por masa del xerogel de carbono. 
 
107 
Figura 6.18 Capacitancia vs -1/2 para determinar Ce: (a) CXT, (b) (CXN y (c) CXMWN en el 
medio NaCl 2M. 
 
109 
Figura 6.19 Capacitancia vs 1/2 para determinar CT: (a) CXT, (b) CXN y (c) CXMWN en el 
medio NaCl 2M. 
 
110 
Figura 6.20 Respuesta potencial vs tiempo del electrodo CXT en el medio NaCl 2M. 
 
112 
Figura 6.21 Respuesta potencial vs tiempo del electrodo CXN en el medio NaCl 2M. 
 
113 
Figura 6.22 Respuesta potencial vs tiempo del electrodo CXMWN en el medio NaCl 2M. 
 
114 
Figura 6.23 Variación de la capacitancia especifica (normalizada por la masa del xerogel de 
carbono) como función de la corriente demandada durante las mediciones 
galvanostáticas de carga/descarga en el medio NaCl 2M. 
 
115 
Figura 6.24 Valores de la capacitancia (normalizada por masa del xerogel de carbono) vs número 
de ciclos de carga/descarga de los electrodos (a) CXN y (b) CXMWN, (I=6x10-4 A) en 
el medio NaCl 2M. 
 
116 
Figura 6.25 Caída iR de (a) CXN y (b) CXMWN a diferentes valores de corrientes, obtenidos de 
los ciclos de carga/descarga en pruebas galvanostáticas. 
 
118 
Figura 6.26 Diagrama de Nyquist de los compositos CXN y CXMWN obtenidos por mezclado. 
 
119 
Figura 6.27 Circuito equivalente empleado para simular la respuesta de impedancia de los 
nanocarbones. 
 
120 
Figura 6.28 Imágenes SEM de la matriz orgánica de nafion (a) CXN y (b) CXMWN. 
 
122 
Figura 7.1 Esquema experimental. 
 
127 
Figura 7.2 Diseño del dispositivo de prueba unitario_1. 
 
128 
Figura 7.3 Diagramas de la celda unitaria_1 unidades en mm. 
 
129 
Figura 7.4Celda unitaria de desalinización_1. 
 
130 
Figura 7.5 Diseño del dispositivo de prueba unitario_2. 
 
131 
Figura 7.6 Diagramas del dispositivo de desalinización_2, unidades en mm 
 
132 
 
 
x 
 
Figura 7.7 Dispositivo de desalinización_2. 
 
133 
Figura A.1 Isotermas de adsorción (IUPAC). 
 
137 
Figura A.2 Lazos de histéresis (IUPAC). 
 
138 
Figura B.1 Circuito equivalente con la presencia de 2 loops. 
 
147 
Figura B.2 Circuito equivalente Randles. 
 
147 
Figura B.3 Representación del espectro de impedancia del circuito equivalente en la Figura B.2, 
para el caso cuando Ws y R1 tiene la mis mamagnitud. 
 
148 
 
 
 
xi 
 
LISTA DE TABLAS 
 
Tabla 2.1 Constituyentes principales del agua de mar. 
 
11 
Tabla 2.2 Clasificación del agua de acuerdo a su concentración de NaCl. 
 
12 
Tabla 2.3 Tecnologías de desalinización. 
 
13 
Tabla 2.4 Requerimientos energéticos en tecnologías de desalinización. 
 
14 
Tabla 2.5 Preparación de la solución inicial, gelación y curado. Efecto de varios factores en el 
proceso de síntesis de los geles. 
 
24 
Tabla 2.6 Intercambio de disolvente y tipos de secado de los geles de RF. 
 
26 
Tabla 2.7 Adsorción de iones en electrodos de aerogel de carbono. 
 
31 
Tabla 2.8 Radio iónico e hidratado de aniones. 
 
34 
Tabla 2.9 Comparación de los diferentes electrodos. 
 
36 
Tabla 2.10 Propiedades físicas y electroquímicas de los electrodos preparados bajo diferentes 
condiciones. 
 
37 
Tabla 4.1 Datos de la solución de sol-gel de TiO2. 
 
53 
Tabla 5.1 Parámetros de ajuste de la simulación de la respuesta de impedancia de las celdas 
ensambladas con electrodos secados a gravedad terrestre g y en una centrifuga 
acelerada a 13g. 
 
73 
Tabla 5.2 Valores promedio de impedancia espacial de las muestras obtenidas por AC-
SEMC. 
 
80 
Tabla 5.3 Capacitancia especifica por unidad de masa de CNT de las matrices TiO2 y xerogel 
de carbono. 
 
85 
Tabla 6.1 Condiciones de desgasificación de las muestras. 
 
91 
Tabla 6.2 Características texturales de los nanocarbones. 
 
94 
Tabla 6.3 Relación de área específica y volumen de poro meso y microporosa de los 
nanocarbones con xerogel. 
 
96 
Tabla 6.4 Propiedades texturales de los nanomaterielas funcionalizados con HNO3 
concentrado. 
 
97 
Tabla 6.5 Radio iónico y solvatado de los iones de Cl- y Na+. 
 
97 
Tabla 6.6 Capacitancia normalizadas por masa del xerogel de carbono de los electrodos en el 
medio HClO4 1M. 
 
101 
Tabla 6.7 Capacitancia normalizadas por masa del xerogel de carbono de los electrodos en el 
medio NaCl 2M. 
 
102 
 
 
xii 
 
Tabla 6.8 Capacitancias normalizadas por masa de xerogel de carbono de los nanocarbones 
obtenidas a diferentes velocidades de barrido. 
 
108 
Tabla 6.9 Valores de Ci que corresponde a la carga almacenada en el área superficial interna y 
menos accesible para los iones. 
 
110 
Tabla 6.10 Capacitancia (normalizada por masa del xerogel de carbono) de los electrodos CXN 
y CXMWN a diferentes valores de corriente obtenidos de las pruebas de 
carga/descarga por cronopotenciometría. 
 
115 
Tabla 6.11 Comparación de la capacitancia (normalizada por la masa del xerogel de carbono) 
obtenida por voltamperometría y cronopotenciometría. 
 
117 
Tabla 6.12 Parámetros de ajuste de la simulación de la respuesta de impedancia de los 
nanocarbones con aglomerantes de teflón y nafion. 
 
120 
Tabla 6.13 Capacitancia especifica por unidad de masa de xerogel de carbono de los 
compositos CXN y CXMWN obtenida a partir de los datos de impedancia (Ws-T) 
en el medio NaCl 2M. 
 
121 
Tabla 7.1 Propiedades de NaCl y sus iones. 
 
123 
Tabla A.1 Condiciones de desgasificación de las muestras. 
 
138 
 
 
 
xiii 
 
NOMENCLATURA 
 
1g Gravedad terrestre 
13g Supergravedad, gravedad modificada 
1G-C Impregnación de xerogel de carbono con nafion secado a gravedad terrestre 
13G-C Impregnación de xerogel de carbono con nafion secado a supergravedad 
AC-SECM Alternate Current Scanning Electrochemical Microscopy, Microscopia 
 Electroquímica de Barrido de Corriente Alterna 
AFM Atomic Force Microscope, Microscopio de Fuerza Atómica 
BET Método Brunauer-Emmett-Teller para determinar el área superficial 
BJH Método Barrett-Joyner-Halenda para calcular la distribución del tamaño de 
 poro 
C60 Fulereno 
C Capacitancia 
C Catalizador 
CB Carbon Black, Negro de carbono 
Cd Capacitancia de la doble capa 
CDI Capacitive Deionization, Desionización Capacitiva 
CDT Capacitive Deionization Technology, Tecnología de Desionización 
 Capacitiva 
CG-C Capacitancia de Gouy-Chapman 
CH Capacitancia de Helmholtz 
CNF Carbon Nanofiber, Nanofibras de carbono 
CNT Carbon Nanotube, Nanotubo de carbono 
Co Cobalto 
CO2 Dióxido de carbono 
CPE Constant Phase Element , Elemento constante de fase (Q) 
CS Carbon Soot, Nanotubos de carbono ricos en hollín 
CVD Chemical Vapor Deposition, Deposito químico en fase vapor 
CXMWN Carbon Xerogel Multi-Walled Carbon Nanotube Nafion, Xerogel de carbono con 
 nanotubos de carbon multipared con nafion como aglomerante. 
CXN Carbon Xerogel Nafion, Xerogel de carbono con nafion como aglomerante 
CXR Carbon Xerogel Resin, Xerogel de carbono con resina epóxica como aglomerante 
 
 
xiv 
 
CXT Carbon Xerogel Teflon, Xerogel de carbono con teflón como aglomerante 
DFT Density Functional Theory, Teoría del Funcional de la Densidad 
DMF Dimetil formamida 
E Diferencia de potencial 
EIS Electrochemical Impedance Spectroscopy, Espectroscopia de Impedancia 
 Electroquímica 
F Formaldehido 
Fe Hierro 
HCl Ácido clorhídrico 
HClO4 Ácido perclórico 
HNO3 Ácido nítrico 
H2SO4 Ácido sulfúrico 
I Corriente eléctrica 
iR Caída de potencial debida a la resistencia interna 
ITO Indium Tin Oxide, vidrio conductor de óxido de indio dopado con estaño 
KBr Bromuro de potasio 
K2SO4 Sulfato de potasio 
MCDI Membrane Capacitive Deionization, Membrana de Desionización Capacitiva 
Mo Molibdeno 
MWCNT Multi-Walled Carbon Nanotube, Nanotubo de carbono multipared 
NaCl Cloruro de sodio 
NaF Fluoruro de sodio 
NMP N-metil-2-pirrolidona 
NaNO3 Nitrato de sodio 
Na2SO4 Sulfato de sodio 
PAN Poliacrilonitrilo 
PEG Polietilénglicol 
PEH Plano externo de Helmholtz 
PIH Plano interno de Helmholtz 
pH Potencial de hidrógeno 
ppm Partes por millón 
PVA Alcohol de polivinilo 
PVDF Fluoruro de polivinildeno 
PTFE Politetrafluoroetileno, Teflón 
 
 
xv 
 
R Resistencia 
R Resorcinol 
RF Resorcinol-Formaldehido 
Rs Resistencia en serie 
Rs Resistencia de la solución 
S Área superficial 
SiO2 Óxido de silicio, Sílica 
SEM Scanning Electron Microscope, Microscopio Electrónico de Barrido 
SSA Ácido sulfosuccínico 
SWNT Single-Wall Nanotube, Nanotubo de carbono unipared 
TiO2 Óxido de titanio, Titania 
XRD X-Ray Diffraction, Difracción de rayos X 
Ws Impedancia de Warburg 
 Constante de tiempo 
 Velocidad de barrido 
 
Resúmen 
 
1 
 
RESÚMEN 
El desarrollo de una tecnología económica como la desionización por el método de 
electroadsorción podría solucionar la escasez de agua a nivel mundial. Sin embargo, 
requiere del diseño y caracterización de nuevos materiales de bajo costo y adecuada 
conductividad. En este trabajo se presenta la elaboración de electrodos compositos basados 
en nanotubos de carbono (MWCNT) para su aplicación en desionización capacitiva (CDI). 
Se desarrollaron dos métodos de elaboración de compositos: impregnación de tintas de 
MWCNT en matrices inorgánicas (TiO2) y matrices orgánicas (xerogel de carbono) bajo 
condiciones de gravedad terrestre y supergravedad, y mezclado de MWCNT con xerogel de 
carbono empleando tres aglomerantes (resina epóxica, teflón y nafion). Los estudios en 
condiciones de supergravedad son los primeros reportados en la literatura internacional y 
constituyen un nicho deinvestigación con gran potencial. Los electrodos elaborados se 
caracterizaron con técnicas convencionales para conocer su microestructura, composición 
química, análisis de superficie y propiedades electroquímicas. Para la caracterización 
localizada de los compositos se utilizó por primera vez la microscopía electroquímica de 
barrido. En la impregnación de matrices de TiO2 con MWCNT se observó un aumento en 
la capacitancia y conductividad de los electrodos en ambientes de supergravedad que se 
correlacionó con una mejor dispersión de los nanotubos. La impregnación de matrices de 
xerogel-nafion (CXN) con MWCNT, resultó en sistemas estratificados cuando ocurre en 
condiciones de gravedad terrestre, y sistemas con mayor penetración y dispersión de 
nanotubos de carbono en el interior de la matriz xerogel-nafion en condiciones de 
supergravedad. El aumento de la capacitancia y propiedades mecánicas del composito es 
claro en ambos métodos de impregnación, pero se observan tendencias diferentes en la 
conductividad, sugiriendo la posible aniquilación de portadores libres en la interfaz 
CXN/MWCNT en condiciones de supergravedad. En el método de mezclado de xerogel-
nafion con MWCNT empleando nafion como aglomerante aumento tanto la capacitancia 
como la conductividad del composito. Como resultado de estos estudios, se propone un 
mecanismo para correlacionar la microestructura de los compositos con las propiedades 
conductivas y capacitivas de los electrodos-película. En general, encontramos que las 
Resúmen 
 
2 
 
matrices porosas orgánicas son mucho más eficientes que las inorgánicas para propósitos de 
desionización capacitiva, ya que reportan mejores conductividades y capacitancias tres 
órdenes de magnitud mayor. Estas características permitieron dimensionar prototipos de 
celda CDI para continuar con la optimización de arreglos de electrodos en futuros estudios. 
 
 
 
 
 
 
 
 Abstract 
 
3 
 
ABSTRACT 
The development of an economic desionization technology based on electroadsorption 
might solve the water shortage worldwide. Nevertheless, it needs the design and 
characterization of new low cost materials with suitable conductivity. This thesis presents 
the development of composite electrodes based in carbon nanotubes (MWCNT) for its use 
in capacitive deionization (CDI). Two methods of production of composites were 
implemented: impregnation of MWCNT's inks in inorganic (TiO2) and organic (carbon 
xerogel) matrices under conditions of terrestrial gravity and supergravity, and blending of 
MWCNT with carbon xerogel using three binders (epoxy resin, teflon, and nafion). 
Supergravity studies were the first to be reported in the literature and constitute a research 
area with great potential. The prepared electrodes were characterized by conventional 
techniques to determine their microstructure, chemical composition, surface texture, and 
electrochemical properties. For the localized characterization of the composites, scanning 
electrochemical microscopy was used for the first time. Impregnation of TiO2 with 
MWCNT resulted in an increase in capacitance and conductivity in electrodes subjected to 
supergravity, which was correlated with a better MWCNT dispersion. Impregnation of 
carbon xerogel-nafion (CXN) with MWCNT resulted in stratified systems when carried out 
at terrestrial gravity, in contrast to the enhanced MWCNT penetration and dispersion when 
carried out at supergravity. The enhanced capacitance and mechanical properties was clear 
in both impregnation protocols, but opposite tendencies were found regarding the 
electrodes conductivity, suggesting the possible annihilation of free carriers at the CXN / 
MWCNT interface in supergravity conditions. In the method of blending of MWCNT with 
carbon xerogel using nafion as binder increased both the capacitance and the conductivity 
of the composite. As a result of these studies, a mechanism was proposed to correlate the 
microstructure of the composites with the conductive and capacitive properties of the film-
electrodes. In general, we found that the porous organic matrices are more efficient than the 
inorganic ones for purposes of capacitive desionization, due to better conductivities and 
larger capacitances (up to 3 orders of magnitude enhancement). These characteristics lead 
to the adequate design of CDI prototypes to continue with the optimization of electrode 
arrays in future studies. 
 Capítulo 1. Introducción 
 
4 
 
CAPÍTULO 1. Introducción 
1.1 Motivación 
El agua es una fuente limitada de recurso, vital para la existencia de la vida en la tierra y 
una necesidad para el desarrollo y la sustentabilidad ambiental. Se está convirtiendo en una 
materia escasa, debido al crecimiento de la población, el cambio en el estilo de vida, su 
contaminación por intervención humana, el uso ineficiente y los cambios climáticos con 
eventos extremos como sequías e inundaciones. ―Las consecuencias del incremento de la 
escasez de agua mundial se sentirá en las zonas áridas y semiáridas, en las regiones costeras 
de rápido crecimiento y en las megaciudades del mundo desarrollado. Los científicos 
predicen que muchas de estas ciudades ya son o serán incapaces de proveer agua segura, 
limpia y adecuada para uso sanitario‖. (Naciones unidas, 1999). 
La disponibilidad del agua no puede ser incrementada empleando fuentes convencionales o 
reciclándola, por lo que la desalinización del mar ofrece una solución alternativa. La 
desalinización del agua se ha llevado a cabo desde hace tiempo pero no ha sido 
ampliamente difundida por sus limitaciones tecnológicas, altos costos de operación, 
consumo de energía y finalmente por su alto costo unitario cuando se compara con agua 
convencional. Su aplicación se ha limitado sólo a suministrar agua potable y de alta calidad 
para fines industriales. 
En México existe una escasez crónica de agua en las partes áridas, en donde la cantidad de 
la precipitación es más baja que la evapotranspiración potencial. Las zonas áridas se 
encuentran principalmente al norte y noroeste del territorio nacional. Además se desarrolló 
en el tiempo una escasez puntual en las grandes aglomeraciones del hombre, dentro y fuera 
de las zonas áridas. En los poblados y ciudades, el uso más eficiente y el reuso de aguas 
residuales pueden aligerar gradualmente la situación. Sin embargo, la llave para permitir un 
desarrollo económico y social acelerado existe en los sitios que disponen de recursos de 
agua salobre o salada, a través de su desalinización.1 
 Capítulo 1. Introducción 
 
5 
 
Es obvio que México tiene un gran potencial para aplicar técnicas de desalinización, debido 
a su gran extensión de costas, a la escasez de las lluvias en el norte del país, a sequías 
prolongadas en gran parte del territorio nacional y a la concentración de la población en 
zonas urbanas sin recursos de agua dulce suficientes. Los clientes serán tanto en el sector 
público como en los demás sectores del comercio, de la industria y del turismo. Las zonas 
potenciales son, sin mencionar los sitios particulares con recursos de agua salobre 
existentes en el interior del país: Península de Baja California, Costa pacífico, Costa norte 
del Golfo de México y costa de la Península de Yucatán. Con urgencia se deberían instalar 
plantas desalinizadoras en las costas, donde los acuíferos costeros son sobreexplotados y 
donde ya existe la intrusión de agua marina. Por ejemplo, en la Península de Baja 
California: La Misión, Ensenada, Maneadero, Santo Domingo, Todos Santos, San José del 
Cabo, La Paz; en el Estado de Sonora: la costa de Hermosillo y la zona costera de 
Guaymas. La desalación es la única solución para un abasto, donde los recursos del agua 
dulce son agotados. 
 
1.2 Antecedentes 
Los avances tecnológicos en los últimos treinta años han reducido tremendamente los 
costos y el consumo de energíaen los procesos de desalinización de agua. Sin embargo, 
este proceso todavía no es económico para muchos países, y el consumo de energía es 
comparativamente alto. El proceso de desalinización separa la sal del agua a partir de agua 
salada. El proceso requiere energía para funcionar y puede utilizar un número de diversas 
tecnologías. Aunque existen métodos solares de desalinización, estos procesos no han 
alcanzado el mismo nivel del éxito comercial, debido a sus altos costos de operación. Los 
procesos comercialmente probados para la desalación se basan en métodos térmicos o de 
membrana.2-6 
En el método térmico se imita el ciclo hidrológico, en donde el agua de mar es calentada 
produciendo vapor de agua, la cual es condensada para formar agua fresca libre de sales. 
Para hacer esto económicamente, la presión del agua que se desea desalinizar se ajusta para 
controlar el punto en que hierve. El agua dulce se mineraliza para hacerla conveniente para 
 Capítulo 1. Introducción 
 
6 
 
el consumo humano. Los factores importantes que se consideran para este método de 
desalinización son la temperatura, la presión y el consumo de energía para llevar a cabo la 
vaporización del agua. 
Por otro lado, en el método de membranas, las membranas tienen la propiedad de 
diferenciar y separar selectivamente las sales y el agua. A partir de membranas se han 
desarrollado dos procesos: 
a) Electrodiálisis, proceso que emplea el potencial eléctrico para quitar las sales 
selectivamente a través de una membrana, dejando pasar sólo agua como producto 
final. 
b) Proceso de ósmosis inversa, que actúa por medio de presión permitiendo que el 
agua dulce se mueva a través de la membrana quedando detrás las sales en la 
solución de salmuera. 
El método propuesto en esta tesis es el de electroadsorción o desionización capacitiva (CDI 
por sus siglas en inglés), el cual es una alternativa a las tecnologías de desalinización de 
membranas como lo son la ósmosis inversa y la electrodiálisis. La desionización capacitiva 
es un método de desalinización de baja presión sin membrana,7 que básicamente consiste de 
una celda electroquímica de dos electrodos porosos inmersos en un electrolito (agua y 
NaCl), a los cuales se les aplica una diferencia de potencial, generando así un campo 
eléctrico, similar a los capacitores de doble capa eléctrica, en donde los cationes Na+ son 
atraídos al electrodo negativo y los aniones Cl- son atraídos al electrodo positivo. El agua 
producida de esta forma está libre de sales. 
Los electrodos empleados en electroadsorción son típicamente preparados a partir de 
partículas de carbono poroso debido a su gran área superficial y estabilidad química: 
aerogeles de carbono,8-13 carbón activado,14-16 tela de carbón activado,17-19 carbón 
grafitizado,20 etc. Los estudios abarcan la electroadsorción de varios tipos de iones,21-24 el 
estudio de los fenómenos de la doble capa eléctrica,25-36 etc. 
En vista de las propiedades potenciales de los nanotubos de carbono (CNT), descubiertos 
por Iijima en 1991,37 el diseño de electrodos basados en estos nanocarbones es un tema 
relevante y promisorio, que podría impactar la eficiencia de los procesos de desalinización. 
Los nanotubos de carbono son de gran interés en el mundo científico debido a sus 
 Capítulo 1. Introducción 
 
7 
 
propiedades mecánicas,38 eléctricas,39 su alta estabilidad química y gran área específica.37 
Debido a su estructura uniforme y su tamaño nanométrico son excelentes agentes 
adsorbentes. Los nanotubos de carbono son moléculas hechas de carbón, con un canal 
central y 50,000 veces más delgados que un cabello humano; millones de estos tubos 
actúan como poros en la membrana. La mesoporosidad de los nanotubos permite el flujo de 
gases y líquidos rápidamente, a la vez que puede bloquear grandes moléculas. Este 
fenómeno ofrece grandes posibilidades ya que las membranas permeables de nanotubos de 
carbono pueden reducir los costos energéticos hasta en un 75% comparado con las 
membranas convencionales empleadas en ósmosis inversa.40 
Existen trabajos que reportan el empleo de nanotubos de carbono en desalinización de 
NaCl,41-47 electroadsorción de Cu(II),48,49 electroadsorción de Cd(II),50 en aplicaciones de 
doble capa eléctrica.51-57 Aunque se espera que las membranas de nanotubos de carbono 
puedan ser comercializadas en un plazo de cinco a diez años, el desafío es escalar la 
producción de grandes cantidades y de esta forma satisfacer las necesidades de agua a nivel 
mundial. En este contexto el diseño y evaluación de membranas basadas en 
nanocompositos de nanotubos de carbono embebidos en matrices orgánicas e inorgánicas, 
tendría como meta disminuir la cantidad necesaria de nanotubos de carbono, así como un 
mayor control en la dispersión y orientación de los nanoadsorbentes. 
La aplicación de electrodos composito de nanotubos de carbono/polímero obtenidos por la 
técnica de prensa caliente en procesos de desalinización se ha reportado en dispositivos de 
flujo basados en la capacitancia de la doble capa (capacitores de flujo). 45-47,53-55 Aunque la 
técnica es efectiva en proporcionarle resistencia mecánica a los electrodos, la pérdida de 
área superficial efectiva por el uso de aglomerantes pudiera convertirse en una limitante. 
Hacen falta estudios sistemáticos que aborden el efecto de la matriz en la dispersión de 
nanotubos de carbono y en el desempeño en desalinización. 
Entre los compositos de nanotubos de carbono con matrices orgánicas se encontraron: 
nanotubos de carbono/aerogel de carbono,58-60 nanotubo de carbono/carbón activado,61 
nanotubos de carbono/nanofibras de carbono.62-64 Ejemplos de compositos con materiales 
inorgánicos son: el uso de dióxido de titanio (TiO2) o titania con carbón activado65 y tela 
de carbón,66-67 el aerogel de carbono/óxido de estaño,68 aerogel de carbono/sílica(SiO2).10 
 Capítulo 1. Introducción 
 
8 
 
Otros reportes de compositos de carbono son: negro de carbono/aerogel de carbono,60,69 
nanofibras de carbono/aerogel de carbono,60 negro de carbón/carbón activado.70 
En esta tesis se consideran la titania y el xerogel de carbono de bajo costo, como matrices 
soporte de los nanotubos de carbono, ya que hay escasos reportes en la literatura y los 
pocos que hay están enfocados a otra aplicación. La tesis comprende estudios sistemáticos 
de funcionalización y su efecto en la compatibilidad y dispersión de los nanotubos en la 
matriz. Explora nuevas rutas de incorporación de los nanotubos en las matrices porosas, 
como son la impregnación en ambientes de supergravedad y el uso de técnicas de mapeo 
electroquímico para determinar la capacidad de penetración de los tintes de nanotubos de 
carbono. Evalúa el desempeño de los electrodos elaborados mediante técnicas 
electroquímicas propias al proceso de desionización capacitiva: voltamperometría cíclica, 
cronopotenciometría e impedancia electroquímica. Por último, propone el diseño de un 
dispositivo de desalinización para evaluar los mejores materiales. 
 
1.3 Objetivos 
1.3.1 Objetivo general 
Desarrollar electrodos a base de nanotubos de carbono capaces de desalinizar 
satisfactoriamente agua salobre. 
1.3.2 Objetivos específicos 
 Preparar compositos de nanotubos de carbono inmersos en matrices orgánicas e 
inorgánicas. 
 Estudiar el efecto del tipo de matriz y la técnica de elaboración de electrodos en la 
eficiencia del proceso de desalinización. 
 Prototipo de celda CDI para pruebas de materiales. 
 
 
 Capítulo 1. Introducción 
 
9 
 
1.4 Estructura de la tesis 
En el Capítulo 2. Desalinización se describe la clasificación del agua de acuerdo a su 
concentración de sales, se mencionan los principios y costos energéticos de las diferentes 
tecnologías de desalinización, así como los pretratamientos y postratamientos típicos. Se 
describe en más detalle la desionización capacitiva,sus retos actuales, las propiedades y 
rutas de síntesis de algunos materiales de carbono, y el estado del arte de los materiales de 
electrodos más utilizados en CDI, en particular los métodos de fabricación y los resultados 
más relevantes de compositos de nanotubos de carbono y aerogeles de carbono. 
En el Capítulo 3. Modelos Teóricos se describe en más detalle los modelos de la doble 
capa eléctrica, por ser los que mejor explican el comportamiento de los electrodos en CDI, 
y se correlacionan algunos aspectos microestructurales y eléctricos con los tiempos 
característicos de estos dispositivos. 
En el Capítulo 4. Metodología Experimental se describen las técnicas de preparación y 
caracterización de los materiales empleados en la elaboración de electrodos compositos 
basados en nanotubos de carbono por los métodos de impregnación y mezclado. Se 
describe a detalle la fabricación de electrodos por el método de impregnación en matrices 
orgánicas (xerogel de carbono) e inorgánicas (TiO2) bajo condiciones de supergravedad y la 
fabricación de electrodos por el método de mezclado en la matriz orgánica empleando 
como aglomerantes (resina epóxica, nafion y teflón) que dan integridad mecánica al 
composito. 
En el Capítulo 5. Electrodos Composito obtenidos por Impregnación se presentan los 
resultados de los electrodos compositos obtenidos por impregnación bajo condiciones de 
gravedad terrestre (g) y supergravedad (13g) en dos apartados. En el primer apartado se 
presentan los resultados de la impregnación de películas de titania porosa con dos tintas de 
nanocarbono: nanotubos de carbono comercial (MWCNT) y por síntesis solar (CS) 
evaluados por la técnica de impedancia, y en el segundo apartado se muestran los 
resultados de los compositos MWCNT/Xerogel de carbono empleando nafion como 
aglomerante, evaluados por voltamperometría y cronopotenciometría. Se comparan ambos 
compositos y se presentan las ventajas y desventajas de ambos. 
 Capítulo 1. Introducción 
 
10 
 
En el Capítulo 6. Electrodos Composito obtenidos por Mezclado se presentan los 
resultados de los electrodos compositos obtenidos por mezclado de MWCNT en la matriz 
de xerogel de carbono. Se comparan los resultados al emplear diferentes aglomerantes 
(resina epóxica, teflón y nafion) y se presenta a detalle la caracterización electroquímica del 
mejor composito obtenido. 
En el Capítulo 7. Celda CDI se muestra el diseño y construcción del dispositivo de 
desalinización. 
En el Capitulo 8. Conclusiones se destacan los principales logros obtenidos y cual fue el 
mejor electrodo composito. También se explica como se puede mejorar el presente trabajo 
y se sugieren líneas de investigación derivadas de este proyecto de investigación doctoral. 
 
 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
11 
 
CAPÍTULO 2. Desalinización 
2.1 Tecnologías de desalización 
El agua de los océanos es salada porque es una solución acuosa en la que se encuentran 
disueltos una gran variedad de materiales sólidos, principalmente sales, así como gases 
atmosféricos. A los mencionados sólidos se suman también materiales suspendidos 
orgánicos e inorgánicos. Junto con los anteriores, forman parte de esta solución acuosa 
algunos organismos microscópicos vivos, vegetales y animales, conocidos respectivamente 
como fitoplancton y zooplancton. La presencia de sales en el agua del mar puede explicarse 
por la ocurrencia de dos procesos: 
a) El primero tiene relación con las aguas liberadas en las erupciones volcánicas que 
incluyen muchos de los componentes actualmente ya conocidos (Tabla 2.1). 
b) El segundo proceso se refiere al aporte de sales al océano mediante el lavado que las 
lluvias y los ríos efectúan en los continentes, debido a la gran capacidad de 
disolución del agua. Se ha estimado que cada año llegan al mar 3x1012 toneladas de 
sales de los continentes, lo que en realidad contribuye en una proporción 
insignificante a la concentración total de las mismas. 
 
Tabla 2.1. Constituyentes principales del agua de mar.71 
Constituyente Símbolo g/kg en agua de mar % por peso 
Cloruro Cl- 19.35 55.07 
Sodio Na+ 10.76 30.62 
Sulfato SO4
- 2.71 7.72 
Magnesio Mg2+ 1.29 3.68 
Calcio Ca2+ 0.41 1.17 
Potasio K+ 0.39 1.10 
Bicarbonato HCO3
- 0.14 0.40 
Bromuro Br - 0.067 0.19 
Estroncio Sr2+ 0.008 0.02 
Bario B 0.004 0.01 
Fluoruro F- 0.001 0.01 
Total ---- ---- 99.99 
 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
12 
 
Aunque el uso de agua de mar para el aprovechamiento humano es, al menos como idea, 
muy antiguo, su aplicación real data de mediados del siglo XX, al producirse un avance en 
la tecnología. La desalinización es el proceso de separar sales de una solución, con el fin de 
obtener agua de menor salinidad y por lo tanto de mayor calidad apta para consumo 
humano. En el propio ciclo hidrológico del agua se produce el fenómeno de desalinización 
en el proceso de evaporación del agua de mar. En la Tabla 2.2 se muestra la clasificación de 
los tipos de agua de acuerdo a su concentración de NaCl. 
Tabla 2.2. Clasificación del agua de acuerdo a su concentración de NaCl.71 
Tipos de agua ppm 
Ultrapura 0.03 
Pura 0.3 
Desionizada 3 
Dulce (potable) < 1,000 
Salobre 1,000 – 10,000 
Salina 10,000 – 30,000 
Marina 30,000 – 50,000 
Salmuera >50,000 
 
Los procesos de desalinización para consumo humano se iniciaron a finales del siglo XX 
con el aprovechamiento del vapor de las calderas de pequeños barcos, desde tiempos 
remotos algunos alquimistas desalaban agua de mar almacenada en vasijas de vidrio, 
utilizando la energía solar, mediante espejos que concentraban la radiación hasta aportar el 
calor requerido para la evaporación del agua. Como vemos, los procesos de desalinización 
más antiguos han estado vinculados al fenómeno de evaporación hasta 1960, cuando 
aparecieron las membranas que permiten filtrar el agua y separar las sales. 
Son varios los criterios que permiten establecer una clasificación de las diferentes técnicas 
o procesos de desalinización, y uno de ellos consiste en considerar si el proceso implica un 
cambio de fase en el agua o por lo contrario éste no se produce. Entre los primeros se 
encuentra la destilación multiefecto, destilación multietapa flash y destilación por 
compresión de vapor. Entre los segundos, ósmosis inversa, electrodiálisis y 
electroadsorción. También se clasifican en procesos térmicos, de membranas y de 
intercambio iónico. La Tabla 2.3 resume las principales tecnologías en cada categoría con 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
13 
 
una descripción de su principio de operación. La tecnología de intercambio iónico se enlista 
en la Tabla 2.3 por formar parte de las tecnologías existentes para remover iones. Sin 
embargo, un intercambiador iónico realiza exactamente lo que su nombre implica, 
intercambia un ión no deseable por un ión más aceptable en la superficie sólida de una 
resina. Por lo tanto, dependiendo del tipo de resina empleada, el contenido de sólidos 
disueltos no se reduce realmente. 
Tabla 2.3. Tecnologías de desalinización.72 
Tecnología Aplicación Principio de operación 
 Procesos térmicos 
Evaporación flash de multietapas Desalinizar agua de mar Evaporación térmica 
Destilación de múltiple efecto con 
compresión mecánica de vapor. 
Desalinizar agua de mar Evaporación térmica con compresión 
mecánica de vapor para mejorar la 
eficiencia energética 
Destilación de múltiple efecto con 
compresión térmica de vapor. 
Desalinizar agua de mar Evaporación térmica con compresión 
térmica de vapor. Mayor eficiencia 
energética que la destilación directa, 
pero menor que la de compresión 
mecánica de vapor. 
 Procesos de membranas 
Ósmosis inversa Desalinizar agua de mar y agua 
salobre. 
Presión impulsada y proceso de 
difusión de membrana. Remoción de 
partículas hasta 0.1 nm 
Nanofiltración Tratamiento de agua industrial, 
doméstica y potable. 
Presión impulsada y proceso de 
difusión en membrana. Remociónde 
partículas entre 1 - 10 nm 
Ultrafiltración Tratamiento de agua industrial, 
doméstica y potable. 
Presión impulsada pero no remueve 
iones. Remueve sustancias disueltas 
por medio de un mecanismo de 
tamizado, 10 – 100 nm. 
Microfiltración Tratamiento de agua industrial, 
doméstica y potable. 
Presión impulsada pero no remueve 
iones. Remueve sustancias disueltas 
por medio de un mecanismo de 
tamizado, 0.1 – 1 m. 
Electrodiálisis Desalinización de agua salobre. Carga eléctrica impuesta, proceso 
que remueve iones pero no 
microorganismos. 
 Proceso de intercambio iónico 
Intercambio Anión/Catión Agua de alimentación a calderas. Los iones del agua se intercambian 
por iones menos dañinos 
Electroadsorción Producción de agua ultrapura. Carga eléctrica impuesta 
 
Uno de los principales costos de operación para desalinizar agua de mar o agua salobre es 
la cantidad de energía requerida para producir un volumen fijo de agua libre de sales. Ésta 
es también la razón por la cual el consumo de energía es uno de los criterios principales 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
14 
 
para evaluar el CDI como una tecnología de desalinización alternativa potencial. La Tabla 
2.4 lista las necesidades energéticas promedio de algunas de las principales tecnologías de 
desalinización. 
Las tecnologías implementadas actualmente para convertir agua de mar en agua dulce tales 
como evaporación flash multietapas, destilación de efecto múltiple, destilación por 
compresión de vapor, ósmosis inversa, electrodiálisis, etcetera2-6 tienen problemas de 
operación, como lo son el pretratamiento de agua de mar y el alto consumo de energía. 
Tabla 2.4. Requerimientos energéticos en tecnologías de desalinización.72 
 
Tecnología de desalinización 
Consumo energético 
kWh/m3 
Agua de mar Agua salobre 
Compresión mecánica de vapor 6.6 
Destilación de efecto múltiple con compresión 
mecánica de vapor 
7.9 – 10.8 
Destilación de efecto múltiple con compresión 
térmica de vapor 
56.3 – 83.2 
 
 
Evaporación Flash multietapas  84.5 
Ósmosis Inversa 6.6 – 9.3 2.3 
Electrodiálisis 2.0 
Electroadsorción  4.2 – 8.5 0.05 – 0.10 
 
La gran mayoría de plantas desalinizadoras a escala industrial obtienen la energía de la 
quema de combustibles fósiles, lo que ocasiona la producción de CO2 y en consecuencia 
el calentamiento global y por otra parte se contribuye a la contaminación de agua fresca 
produciendo lluvia ácida.73 Como resultado, el calentamiento global incrementa la 
necesidad de más plantas desalinizadoras. Por lo tanto, es imperativo encontrar métodos 
para desalinizar agua que sean más eficientes energéticamente. 
Otra técnica de desalinización que podría considerarse limpia y amigable al ambiente es la 
evaporación solar, la cual utiliza la energía solar; el agua salobre se almacena en grandes 
estanques (bandejas) de mucha superficie y poca altura, éstos se cubren con una lámina 
transparente, que permite el paso del calor que irradia el sol, el agua que escapa de la 
superficie de la masa líquida, llega a la lámina y se condensa en ella. Las gotas condensadas 
en la lámina se unen entre sí y se van dirigiendo mediante canales al centro o laterales de la 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
15 
 
tapa que cubre el estanque. Desde estos centros de recolección, el agua se acumula y 
transporta por unas tuberías a un único tanque de depósito de agua desalinizada. 
2.1.1 Pretratamiento y postratamiento 
Las técnicas de pre-tratamiento de agua de mar y salobres son básicamente las mismas. 
Deben ser cuidadosamente diseñados, monitoreados y operados para evitar inconvenientes. 
Los sistemas típicos incluyen: 
 Filtración media. 
 Filtros auto-limpiables. 
 Ultrafiltración. 
 Filtros de cartucho. 
 Cloración. 
 Inyección de bisulfito. 
 Inyección de anti-incrustante. 
 
El agua producida por cualquier técnica, requiere en la mayoría de los casos de algún 
postratamiento, que puede ser cloración o ajuste de pH. La necesidad de un postratamiento 
generalmente depende de distintos factores y del uso que se dará al agua (por ejemplo.: 
agua potable, usos industriales). Debe tenerse un completo conocimiento de las normas 
gubernamentales antes de poder llevar a cabo una evaluación de diseño. Por lo general, los 
municipios requieren de algún tipo de cloración. Por último, no podemos evitar la 
producción de salmuera en los procesos de desalinización, por lo que hay que transformarla 
de tal manera que la contaminación ambiental sea mínima. 
A continuación se describe brevemente las principales técnicas de desalinización 
comerciales, y más en detalle aquella en la que se basa el trabajo de tesis. 
2.1.2 Evaporación flash multietapa 
Proceso de desalinización con cambio de fase, la evaporación del agua tiene lugar mediante 
una expansión brusca del agua hasta una presión inferior a la presión de saturación 
correspondiente a la temperatura del agua. Este proceso se denomina flash y para mejorar el 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
16 
 
rendimiento energético se acoplan en serie varias celdas en las que tiene lugar etapas 
consecutivas de desalinización. Dado que la evaporación del agua en cada etapa no tiene 
lugar mediante la transferencia de calor, sino por flash, el evaporador de las celdas no es 
necesario y por lo tanto sólo están formadas por un condensador. El aporte de energía en 
forma de calor se produce en el primer efecto. En la práctica la temperatura de trabajo en la 
primera etapa varía entre 115 y 120 °C. 
2.1.3 Compresión de vapor 
Esta técnica de desalinización se basa en dos procesos: compresión térmica y compresión 
mecánica de vapor. El primer proceso emplea dos elementos básicos: evaporador y 
condensador. En el evaporador el agua salada recibe energía en forma de calor 
proporcionada por un termocompresor. Una parte del agua se evapora y pasa al 
condensador, por donde circula agua de refrigeración que absorbe calor del vapor y lo 
condensa. El flujo de agua de refrigeración necesario para condensar el vapor es muy 
superior al consumo para alimentar al evaporador, por lo que una parte del agua caliente 
que sale del condensador se devuelve al mar, lo que supone una importante pérdida de 
energía; el resto se dirige al evaporador. 
En la compresión mecánica de vapor se realiza una destilación con energía mecánica. El 
vapor se comprime ligeramente, produciendo un sobrecalentamiento de 5°C. El vapor que 
alimenta al compresor proviene del agua salada bruta. Después de la compresión, el vapor 
sobrecalentado condensa en el intercambiador cediendo calor al agua bruta. 
2.1.4 Ósmosis inversa 
Es un proceso de desalinización que no implica cambio de estado y emplea membranas 
semipermeables. Se basa en la circulación forzada del agua a través de una membrana 
semipermeable. Si la presión ejercida es superior a la presión osmótica, la membrana actúa 
como barrera para las sales y/o moléculas, rechazándolas. Se obtienen entonces dos 
corrientes: una libre de sales (permeado) y la otra concentrada en sales (rechazo). 
 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
17 
 
2.1.5 Electrodiálisis 
Sistema de desalinización por membranas y sin cambio de fase. Emplea un potencial 
eléctrico para conducir las sales disueltas selectivamente a través de la membrana. En una 
solución salina las sales disueltas tienen cargas eléctricas neutralizadas. Al hacer circular 
por ella una corriente eléctrica mediante dos electrodos, los iones cargados positivamente 
(cationes) se desplazan hacia el electrodo negativo y los iones cargados negativamente 
(aniones) migran hacia el positivo. Si de forma alternativa se intercalan pares de 
membranas que permiten de forma selectiva el paso de aniones y/o cationes, se consigue la 
división del flujo. 
2.2 Desionización capacitiva 
Principio de operación de la desionización capacitiva 
La desionización capacitiva o electroadsorción tiene lugar en una celda electroquímicabásica, la cual consiste de un par de electrodos conectados externamente e inmersos en un 
electrolito (Figura 2.1). En el caso de la desalinización capacitiva el material típico es un 
carbono inerte. 
 
Fig. 2.1. Celda electroquímica 
Cuando un objeto se carga eléctricamente, se crea un ambiente alrededor del objeto con 
características físicas únicas. Hay interacciones entre los iones disueltos y la superficie 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
18 
 
cargada, entre los iones y el líquido, y entre el líquido y la superficie. Los electrodos en la 
desalinización capacitiva siguen la teoría eléctrica de doble capa. Esta teoría establece que 
si un electrodo se carga negativamente y está inmerso en un electrolito, entonces iones 
cargados positivamente y moléculas de agua son adsorbidos sobre la superficie formando 
una capa cargada positivamente. Esto es la doble capa eléctrica (Figura 2.2). En soluciones 
poco concentradas, también se forma una capa difusa hacia el bulto de la solución, donde la 
carga positiva poco a poco se neutraliza con la carga de los iones negativos presentes.74 
 
Fig. 2.2. Doble capa eléctrica. 
La desionización capacitiva emplea los principios electroquímicos mencionados para 
remover iones disueltos de un electrolito. La Figura 2.3 ilustra el principio básico de 
operación. 
 
Fig. 2.3. Principio de operación de la desionización capacitiva. 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
19 
 
Cuando un potencial eléctrico se aplica al electrodo, iones cargados migran al electrodo de 
carga opuesta y son retenidos por la doble capa eléctrica en la interfase electrodo-
electrolito (Figura 2.3). El ciclo normal de operación continúa hasta que la superficie del 
electrodo se satura con los iones adsorbidos. Una vez que el campo externo es removido, 
los iones son fácilmente liberados hacia la solución.9 
Comparada con las tecnologías convencionales de desalinización, la electroadsorción es un 
proceso de desalinización eficientemente energético debido al hecho de que opera a bajos 
potenciales (1-1.5 V),75 es amigable al ambiente y no requiere del empleo de químicos para 
su regeneracion.16,41,63,76,77 Durante el ciclo de regeneración la polaridad de los electrodos 
se invierte, recuperando un concentrado de sales pero no desechos secundarios. 
Otras ventajas potenciales sobre los procesos de destilación y de membrana son: 
 Menor energía para el proceso de desalinización porque no se requieren bombas de 
alta presión. 
 Debido a la menor cantidad de energía requerida es posible emplear energías 
limpias (solar/eólica). De esta forma se podría tratar el agua de mar en comunidades 
que no cuenten con suministro de energía eléctrica. 
 Puede constituirse en sistemas portátiles de desalinización en caso de accidentes. 
 
De la revisión bibliográfica, cuatro son los tópicos más importantes que se identifican como 
necesarios para convertir un sistema de desionización capacitiva en una tecnología 
comercialmente viable para el tratamiento del agua: 
a) Desarrollo de materiales para electrodos que sean adecuados para el proceso. 
b) Diseño de los diferentes componentes dentro de la celda. 
c) Convertir el proceso en un proceso continuo o semi-continuo. 
d) Recuperación de energía. 
 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
20 
 
La correcta elección del material del electrodo es el problema más crítico para el éxito del 
proceso de separación electroquímico. El material adecuado para el electrodo en CDI debe 
tener las siguientes características: 
i. Área superficial para electroadsorción, tan grande como sea posible. 
ii. Tamaño de poro: mesoporoso. 
iii. Conductividad electrónica tan grande como sea posible. 
iv. Rápida respuesta en toda el área superficial a cambios de electroadsorción -
electrodesorción. 
v. Estabilidad química y electroquímica en un intervalo amplio de valores de pH y 
capacidad para tolerar cambios frecuentes de voltaje. 
vi. Capacidad de amoldarse a la forma del electrodo de acuerdo a los requerimientos 
del diseño. 
vii. Baja tendencia a encalarse, a ensuciamiento orgánico y a contaminación biológica. 
 
A la luz de estos requisitos, particularmente el primero, no es de extrañar que el carbono, 
con su amplia variedad de formas disponibles y porosidad, sea el material del electrodo de 
elección para los procesos de CDI. 
 
2.3 Materiales de carbono 
El carbono es uno de los elementos más abundantes en el universo y es conocido por ser el 
elemento más versátil que existe en la Tierra. Es un elemento con 4 electrones de valencia y 
con esos electrones es capaz de formar un número extremadamente grande de estructuras 
con propiedades diferentes. La versatilidad del carbono proviene de su capacidad de formar 
enlaces sencillos, dobles y triples (enlaces sp3, sp2 y sp) con varios grados intermedios de 
hibridación entre sp2 y sp3. El carbono elemental en la hibridación sp2 puede formar una 
gran variedad de estructuras, como por ejemplo, el grafito, el grafeno, nanotubos de 
carbono y fulerenos. El carbono en forma de grafito se descubrió en 1779 y 10 años 
después se descubrió la forma de diamante (sp3). Se determinó entonces que estas dos 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
21 
 
formas pertenecían a una familia de elementos químicos. No fue sino hasta unos 200 años 
después que se dio otro avance. En 1985 Kroto, Smalley y Curl descubrieron los 
fulerenos.78 Años más tarde, en 1989,79 se sintetizó el gel orgánico llamado aerogel de 
carbono y poco tiempo después, en 1991, Sumio Iijima descubrió en hollín de fulereno a 
los nanotubo de carbono.37 
Los numerosos estudios dedicados fundamentalmente a las propiedades electroquímicas del 
carbono y grafito han arrojado información sobre las características de la estructura 
eléctrica de la doble capa y su capacidad para adsorber cuantitativamente los iones, así 
como el efecto de la estructura porosa del carbono en la velocidad de adsorción.80-83 Entre 
las varias formas de carbono investigado para CDI están el carbón activado,84 tela de 
carbón activado,85 tela de carbón activado con titania,66,67 carbon felt,86,87 negro de 
carbón,88-90 carbón activado sinterizado,91 nanotubos de carbono41-47 y aerogeles de 
carbono.8-13,21-25,92,93 
2.3.1 Geles, Xerogeles, Aerogels y Criogeles de Carbono 
Un gel es un coloide donde la fase continua es sólida y la discontinua es líquida. El proceso 
en el cual se forma un gel se denomina gelación. Los geles están compuestos por una gran 
cantidad de líquido por lo que exhiben densidades similares a los líquidos, aunque con la 
consistencia de un sólido, presentando la apariencia de un sólido gelatinoso. Los geles de 
carbono son materiales carbonosos formados por cadenas o aglomerados tipo coloidal de 
partículas poliméricas, con un diámetro típico de unos 10 nm.25 Este tipo de nanoestructura 
es la responsable de propiedades térmicas, acústicas, ópticas, eléctricas y mecánicas muy 
singulares. Además, son materiales que presentan una red interconectada de poros entre 
partículas y en las propias partículas, por lo que se trata de materiales carbonosos con un 
gran desarrollo textural, por ejemplo: alta porosidad (>80%) y áreas superficiales (400-
1200 m2/g). Por otra parte, se ha encontrado que presentan una conductividad térmica 
extremadamente baja, debido a su estructura porosa,94 y que esta última controla también el 
comportamiento de este material en capacitores de doble capa eléctrica.28 
Existe una gran diversidad de geles de carbono dependiendo de los precursores utilizados y 
del método de elaboración. En 1989, Pekala79,95 sintetizó el primer gel orgánico basado en 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
22 
 
la policondensación de resorcinol con formaldehído. El proceso de síntesis ocurre en tres 
etapas principales (Figura 2.4): 
 Reacción sol-gel donde el polímero se entrecruza y se forma el gel resorcinol-
formaldehído 
 Secado del gel saturadode disolvente 
 Carbonización del gel orgánico para obtener aerogel, xerogel o criogel de carbono. 
 
Como las propiedades del gel de carbono están íntimamente relacionadas con su estructura, 
y la estructura depende fuertemente de las condiciones de síntesis, variando éstas 
adecuadamente se pueden obtener una gran cantidad de materiales con muy diversas 
propiedades. 
La primera etapa consiste en la polimerización, gelación y curado. Los reactivos más 
utilizados son el resorcinol (R) y el formaldehído (F), aunque en algunos casos se han 
utilizado otros precursores, como melamina o furfural, para introducir distintos grupos 
funcionales. La policondensación del R y el F ocurre a través de una reacción sol-gel, que 
resulta en la formación de un gel con alto grado de entrecruzamiento. La relación molar 
estequiométrica R:F más empleada en la literatura es 1:2.79 
La primera etapa de polimerización es una reacción de adición, la cual se ve favorecida con 
pHs en el intervalo de 5.4 a 7.6, 79,96,97 se suele añadir a la solución un catalizador (C) de 
tipo básico82 (por ejemplo carbonato de sodio) y en muy pocos casos de tipo ácido.94 El 
tipo y cantidad de catalizador influye en el pH de la solución y por lo tanto en las 
reacciones de adición y condensación de esta primera etapa. La relación R/C es una de las 
condiciones de operación a tener en cuenta, ya que de ella depende el pH de la solución y 
éste va a influir en las propiedades texturales finales del gel (volumen de poros y superficie 
específica), capacidad electroquímica, etc. 
Tanto R, como F y C se disuelven en un medio que puede ser agua (hidrogeles o 
aguageles), o un disolvente orgánico como acetona (liogeles), y dentro de estos últimos si el 
disolvente es un alcohol (metanol, etanol, n-propanol o isopropanol) los geles se pueden 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
23 
 
denominar alcogeles. De la concentración en la solución inicial depende también el tamaño 
de las partículas en el gel y su porosidad. 
 
Fig. 2.4. Proceso de síntesis del xerogel de carbono.99 
El carbonato de sodio (Na2CO3) es el catalizador básico más comúnmente empleado para la 
reacción de polimerización de R con F. Este catalizador activa una pequeña porción del R 
para actuar como sitio para el crecimiento de las partículas monoméricas.98 Durante la 
gelación y el curado se produce el entrecruzamiento del gel, una etapa crucial para las 
propiedades finales del material, y nuevamente van a ser influyentes las concentraciones de 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
24 
 
R, F y C. En la Tabla 2.5 se muestra los efectos de las propiedades de los geles al variar las 
relaciones de los diferentes reactantes. 
Antes de realizar la segunda etapa de secado del gel orgánico, se suele sustituir el 
disolvente utilizado en la primera etapa si éste ha sido agua, mediante varios lavados con un 
disolvente orgánico.79 El disolvente puede ser calentado durante los lavados para acelerar 
su velocidad de difusión y por consiguiente realizar el intercambio de disolvente. Este paso 
es necesario si se desea que la estructura desarrollada durante la gelación y curado del gel 
se mantenga y no colapse. El secado del gel orgánico se puede realizar por distintos 
métodos: secado convencional o secado subcrítico, secado supercrítico y secado criogénico. 
Cada uno de estos métodos de secado da lugar a un gel con características diferentes y se le 
aplica por lo tanto una nomenclatura distinta: xerogel, aerogel y criogel, respectivamente. 
Tabla 2.5. Preparación de la solución inicial, gelación y curado. 
Efecto de varios factores en el proceso de síntesis de los geles.99 
 
Factor Efecto 
Disminución de la 
concentración de reactivos 
(equivalente a la reducción 
de R/F, R/H2O o R/C) 
Partícula y tamaño de poro más pequeño. 
Menor compactación en la estructura del gel. 
Incremento en el área superficial de xerogeles. 
Reducción o aumento del volumen del poro de los xerogeles 
dependiendo del pH. 
Incremento de la capacitancia electroquímica. 
Catalizador ácido A pequeñas concentraciones de RF, agregados de partículas lisas y 
fractales con amplia distribución de tamaño de poro. 
A altas concentraciones de RF, no hay agregados fractales, muy 
limitada distribución de tamaño de poro y puede reducir el tiempo 
de gelación. 
Catalizador básico Altas concentraciones: geles poliméricos (partículas poliméricas 
pequeñas interconectadas con grandes cuellos, altas áreas 
superficiales, alta fuerza mecánica). Reduce el tiempo de gelación. 
Bajas concentraciones: Geles coloidales (grandes partículas 
interconectadas con cuellos estrechos, menor área superficial, 
menor fuerza mecánica). 
Incremento del pH Incremento del área superficial y del volumen de poro del aerogel 
de carbono. 
Incremento de la capacitancia electroquímica. 
Insignificante efecto en el área superficial del xerogel de carbono. 
Incremento del volumen de poro del xerogel de carbono. 
Incremento o disminución de la capacitancia electroquímica del 
xerogel de carbono, dependiendo de la concentración de los 
reactantes. 
Gelación y curado Requerido para mejorar el reticulado de las partículas poliméricas. 
 
 Capítulo 2. Desalinización 
 
25 
 
Con el secado convencional97,100-104 se obtienen geles muy densos denominados xerogeles. 
Estos geles presentan un cambio importante en la estructura del gel, produciéndose un 
colapso de la estructura porosa que afecta fundamentalmente a los poros >10Å.99 Esto se 
debe a las tensiones sufridas entre las fases gas y líquida del disolvente. El secado 
convencional es el método menos descrito en la literatura por la contracción de la estructura 
inicial durante el proceso de secado. El secado con aire es más rápido, simple y económico 
en comparación con el secado supercrítico. Con el secado supercrítico25,30,79,95,105-112 se 
evita el colapso de la estructura y los aerogeles usualmente conservan la estructura 
inicialmente formada por el gel orgánico. Se puede realizar el secado supercrítico con CO2 
(TC = 31°C, PC = 7.4 MPa)99 o con acetona (TC = 235°C, PC = 4.7 MPa).108 En ambos 
casos, se trata de un método caro y laborioso, la utilización de acetona permite reducir algo 
la presión de trabajo, pero se necesitan temperaturas más altas que en el caso del CO2, lo 
que en ocasiones afecta a la naturaleza del gel resultante. Los aerogeles de carbono 
usualmente consisten de partículas interconectadas de tamaño nanométrico (3-30 nm), con 
pequeños poros intersticiales (<50 nm), áreas superficiales muy grandes (400 a 1100 m2/g) 
y una alta conductividad eléctrica (25-100 S/cm). Por último, los criogeles113-117 se obtienen 
mediante el secado criogénico, basado en la sublimación del disolvente congelado. El paso 
directo de sólido a gas permite minimizar las tensiones superficiales y preservar la 
estructura inicial del gel. Los criogeles son normalmente geles ligeros y mesoporosos. La 
Tabla 2.6 muestra los diferentes métodos para remover el disolvente, así como, los efectos 
y propiedades de los geles orgánicos obtenidos en cada caso. 
La tercera etapa en la obtención de geles de carbono es la carbonización del gel orgánico. 
Normalmente se realiza bajo un flujo constante y moderado de un gas inerte (N2, Ar o He). 
La temperatura durante la carbonización y el tiempo de residencia, son condiciones de 
operación que nuevamente van a influir en las propiedades finales del gel de carbono. Al 
aumentar la temperatura de carbonización, se reduce el contenido en oxígeno final, se 
modifica el volumen de poros y superficie específica, y por lo tanto la capacidad 
electroquímica de los geles obtenidos. Altas temperaturas de pirólisis (carbonización) 
tienden a reducir el área superficial de los xerogeles y aerogeles de carbono, y también 
reducen su capacitancia electroquímica de doble capa.96,118,119 
http://www.oviedocorreo.es/personales/carbon/curiosidades/carbon%20vegetal.htm#carbonizacion